【正文】 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案第1章 概 述 無刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況無刷直流電動(dòng)機(jī)是在有刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，這一淵源關(guān)系從其名稱中就可以看出來。有刷直流電動(dòng)機(jī)從19世紀(jì)40年代出現(xiàn)以來，以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制特性，在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)一直在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。但是，有機(jī)械接觸電刷換向器一直是電流電機(jī)的一個(gè)致命弱點(diǎn)，它降低了系統(tǒng)的可靠性，限制了其在很多場(chǎng)合中的使用。為了取代有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向裝置，人們進(jìn)行了長期的探索。早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械電刷，從而誕生了無刷直流電機(jī)的基本思想。，標(biāo)志著現(xiàn)代無刷直流電動(dòng)機(jī)的誕生。無刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展在很大程度上取決于電力電子技術(shù)的進(jìn)步，在無刷直流電動(dòng)機(jī)發(fā)展的早期，由于當(dāng)時(shí)大功率開關(guān)器件僅處于初級(jí)發(fā)展階段，可靠性差，價(jià)格昂貴，加上永磁材料和驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)水平的制約，使得無刷直流電動(dòng)機(jī)自發(fā)明以后的一個(gè)相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，性能都不理想，只能停留在實(shí)驗(yàn)室階段，無法推廣使用，1970年以后，隨著電力半導(dǎo)體工業(yè)的飛速發(fā)展，許多新型的全控型半導(dǎo)體功率器件（如GTR、MOSFET、IGBT等）相繼問世，加之高磁能積永磁材料（如SmCo、NsFeB）陸續(xù)出現(xiàn)，這些均為無刷直流電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)因而得到了迅速的發(fā)展。在1978年漢諾威貿(mào)易博覽會(huì)上，前聯(lián)邦德國的MANNESMANN公司正式推出了 MAC無刷直流電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器，引起了世界各國的關(guān)注，隨即在國際上掀起了研制和生產(chǎn)無刷直流系統(tǒng)的熱潮，這業(yè)標(biāo)志著無刷直流電動(dòng)機(jī)走向?qū)嵱秒A段。隨著人們對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)特性了解的日益深入，無刷直流電動(dòng)機(jī)的理論也逐漸得到了完善。1986年，指出了無刷直流電動(dòng)機(jī)的研究領(lǐng)域，成為無刷直流電動(dòng)機(jī)的經(jīng)典文獻(xiàn)，標(biāo)志著無刷直流電動(dòng)機(jī)在理論上走向成熟。我國對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)的研究起步較晚。1987年，在北京舉辦的聯(lián)邦德國金屬加工設(shè)備展覽會(huì)上，SIEMENS和BOSCH兩公司展出了永磁自同步伺服系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器，引起了國內(nèi)有關(guān)學(xué)者的廣泛注意，自此國內(nèi)掀起了研制開發(fā)和技術(shù)引進(jìn)的熱潮。經(jīng)過多年的努力，目前，國內(nèi)已有無刷直流電動(dòng)機(jī)的系列 產(chǎn)品，形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模。 無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)與有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的比較表11 無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)與有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的比較項(xiàng)目無刷直流電動(dòng)機(jī)有刷直流電動(dòng)機(jī)換向借助轉(zhuǎn)自子位置傳感器實(shí)現(xiàn)電子換向由電刷和換向器進(jìn)行機(jī)械換向維護(hù)由于沒有電刷和換向器，很少需要維護(hù)需要周期性維護(hù)壽命比較長比較短機(jī)械（速度/力矩）特性平（硬）在負(fù)載條件下能在所有速度上運(yùn)行中等平（中等硬）。在較高速度上運(yùn)行時(shí)，電刷摩擦增加，有用力矩減小效率由于沒有電刷壓降，所以效率高中等輸出功率/外形尺寸之比高由于電樞繞組設(shè)置在與機(jī)殼相連的定子上，容易散熱。這種優(yōu)異的熱傳導(dǎo)特性允許減小電動(dòng)機(jī)的尺寸，所以輸出功率/外形尺寸之比高中等/低。電樞產(chǎn)生的熱量消散在氣隙內(nèi)，這樣增加了氣隙溫度，從而限制了輸出功率/外形尺寸之比轉(zhuǎn)自慣量低。因?yàn)橛来朋w設(shè)置在轉(zhuǎn)子上，改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)轉(zhuǎn)自慣量高，限制了動(dòng)態(tài)特性速度范圍比較高。沒有電刷/換向器給予的機(jī)械限制比較低，存在電刷給予的機(jī)械限制電氣噪聲低電刷的電弧將對(duì)附近的設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾制造價(jià)格比較高低控制復(fù)雜和價(jià)格貴簡(jiǎn)單和價(jià)格不貴控制要求為了使電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必須要有控制器，但同樣的控制器可用于變速控制對(duì)于一個(gè)固定的速度而言，不需要控制器；有變速要求的時(shí)候才需要控制器 無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及基本工作原理1．無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩分析電機(jī)本體的電樞繞組為三相星型連接，位置傳感器與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸，控制電路對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生控制信號(hào)，控制動(dòng)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔 離放大后控制逆變器的功率開關(guān)管，使電機(jī)的各相繞組按一定的順序工作。 圖11 無刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖如圖11所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（順時(shí)針）到圖a所示的位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器，使TT6 導(dǎo)通，即A、B兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng)T1流入A相繞組，再從B相繞組流出，經(jīng)T6回到電源的負(fù)極，此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過60電角度，到達(dá)圖b所示位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器，使TT2導(dǎo)通，A、C兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng)T1流入A相繞組，再從C相繞組流出，經(jīng)T2回到電源負(fù)極。此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過60電角度，逆變器開關(guān)就發(fā)生一次切換，功率開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯為TT6—TT2—TT2—TT4—TT4—TT6—TT6。在次期間，轉(zhuǎn)子始終受到順時(shí)針方向的電磁轉(zhuǎn)矩作用，沿順時(shí)針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過60電角度，定子繞組就進(jìn)行一次換流，定子合成磁場(chǎng)的磁狀態(tài)就發(fā)生一次躍變?？梢姡姍C(jī)有6種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導(dǎo)通，每相繞組的導(dǎo)通時(shí)間對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120電角度。無刷直流電動(dòng)機(jī)的這種工作方式叫兩相導(dǎo)通星型三相六狀態(tài)，這是無刷直流電動(dòng)機(jī)最常用的一種工作方式。2．無刷直流電動(dòng)機(jī)與輸出開關(guān)管換流信號(hào) 無刷直流電動(dòng)機(jī)的位置一般采用三個(gè)在空間上相隔120電角度的霍爾位置傳感器進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)位于霍爾傳感器位置處的磁場(chǎng)極性發(fā)生變化時(shí)，傳感器的輸出電平將發(fā)生改變，由于三個(gè)霍爾傳感器位檢測(cè)元件的位置在空間上各差120電角度，因此從這三個(gè)檢測(cè)元件輸出端可以獲得三個(gè)在時(shí)間上互差120度、寬度為180度的電平信號(hào)，分別用A、B、C來表示，如圖12所示，以信號(hào)A為例，A相位置寬度為180電導(dǎo)角：在060度，T1必須導(dǎo)通，故T1狀態(tài)為1，而C相還剩下60度通電寬度，所以此段時(shí)間為T1和T6等于1，（此時(shí)下部可供導(dǎo)通的管子為T T6和T2，而為避免橋臂直通，T4不能導(dǎo)通；T2的導(dǎo)通時(shí)間未到，故只能是T6導(dǎo)通）；而在60度—120度，此時(shí)只有A相通電，B和C相處于非導(dǎo)電期，故導(dǎo)通的開關(guān)管為T1和T2（T1和T2等于1），其中T2是為B相導(dǎo)電作準(zhǔn)備；而在120度—180度時(shí)，由于 每一相只有120電導(dǎo)角導(dǎo)電時(shí)間，故此時(shí)T1關(guān)斷（T1=0），T2仍然導(dǎo)通（B相開始進(jìn)入導(dǎo)電期），此時(shí)可知，T1關(guān)斷，T5不能開通（防止橋臂直通），則此時(shí)只能開通T3，所以T3信號(hào)此時(shí)間段為1。其他時(shí)間段的開關(guān)管導(dǎo)通情況與此類似。理論上，只要保證三個(gè)位置傳感器在空間上互差120度，開關(guān)管的換流時(shí)刻總是可以推算出來的。然而，為了簡(jiǎn)化控制電路，每個(gè)霍爾傳感器的起始安裝位置在各自相繞組的基準(zhǔn)點(diǎn)（r0=00）=00的控制條件下，A相繞組開始通電的時(shí)刻（即該相反電勢(shì)相位30度位置）恰好與A相位置傳感器輸出信號(hào)A的電平跳變時(shí)刻重合，此時(shí)應(yīng)將T1開關(guān)管驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通。同理，其他開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)刻也可以按同樣方法確定。本設(shè)計(jì)選用的是三相無刷永磁直流電動(dòng)機(jī)，其額定電壓UH=36V,電樞額定電流IaH=,電樞峰值電流IaP15A,額定轉(zhuǎn)速nH=350r/min,額定功率PH=250W。 圖12 無刷電動(dòng)機(jī)位置檢測(cè)及開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)表12 無刷電動(dòng)機(jī)直流通電控制方式開關(guān)切換表旋轉(zhuǎn)方向位置傳感器逆變橋開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)ABCT1T2T3T4T5T6正轉(zhuǎn)001000011010001100011000110100110000101100001110011000反轉(zhuǎn)001011000010100001011110000100000110101001100110000011 無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 機(jī)械特性無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為： （11）UT開關(guān)器件的管壓降Ia電樞電流Ce電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)每級(jí)磁通量可見無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與一般直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式相同，機(jī)械特性較硬。在不同的供電電壓驅(qū)動(dòng)下，可以得到如13圖所示機(jī)械特性曲線簇。圖13 機(jī)械特性曲線簇當(dāng)轉(zhuǎn)矩較大、轉(zhuǎn)速較低時(shí)，流過開關(guān)管和電樞繞組的電流很大，這時(shí)，管壓降隨著電流增大而增加較快，使在電樞繞組上的電壓有所減小，因而圖所示的機(jī)械特性曲線會(huì)偏離直線，向下彎曲。 調(diào)節(jié)特性無刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性如圖14所示。圖14 調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性的始動(dòng)電壓和斜率分別為： （12） （13）從機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性可以看出，無刷直流電動(dòng)機(jī)與一般直流電動(dòng)機(jī)一樣，具有良好的調(diào)速控制性能，可以通過調(diào)節(jié)電源電壓實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。但不能通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁調(diào)速，因?yàn)橛来朋w的勵(lì)磁磁場(chǎng)不可調(diào)。 工作特性 電樞電流與輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系、效率輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系如圖15所示。圖15 工作特性在輸出額定轉(zhuǎn)矩時(shí),電機(jī)效率高、損耗低是無刷直流電動(dòng)機(jī)的重要特點(diǎn)之一。 無刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用與研究動(dòng)向現(xiàn)階段，雖然各種交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)在傳動(dòng)應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，但無刷直流電動(dòng)機(jī)正受到普遍的關(guān)注。自20世紀(jì)90年代以來，隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代化生產(chǎn)、辦公自動(dòng)化的發(fā)展，家用電器、工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備都越來越趨向于高效率化、小型化及高智能化，作為執(zhí)行元件的重要組成部分，電機(jī)必須具有精度高、速度快、效率高等特點(diǎn)，無刷直流電機(jī)的應(yīng)用也因此而迅速增長。尤其在節(jié)能已成為時(shí)代主題的今天，無刷直流電機(jī)高效率的特點(diǎn)更顯示了其巨大的應(yīng)用價(jià)值。無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵，其產(chǎn)生的氣隙磁通保持為常值，因而特別適用于恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行；對(duì)于恒功率運(yùn)行，無刷直流電機(jī)雖然不能直接改變磁通實(shí)現(xiàn)弱磁控制，但通過控制方法的改進(jìn)也可以獲得弱磁控制的效果。由于稀土永磁材料的矯頑力高、剩磁大，可產(chǎn)生很大的氣隙磁通，這樣可以大大縮小轉(zhuǎn)子半徑，減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因而在要求有良好的靜態(tài)特性和高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等應(yīng)用中，無刷直流電機(jī)比交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)顯示了更多的優(yōu)越性。目前無刷直流電機(jī)的應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，并日趨廣泛，特別是在家用電器、電動(dòng)汽車、航空航天等領(lǐng)域已得到大量應(yīng)用。目前，無刷直流電機(jī)的研究主要集中在以下方面：（1）無機(jī)械式轉(zhuǎn)子位置傳感器控制。轉(zhuǎn)子位置傳感器是整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中最為脆弱的部件，不僅增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，而且降低系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，同時(shí)還需要占據(jù)一定的空間位置。在很多應(yīng)用場(chǎng)合，例如空調(diào)器和計(jì)算機(jī)外設(shè)都要求無刷直流電動(dòng)機(jī)以無轉(zhuǎn)子位置傳感器方式運(yùn)行。無轉(zhuǎn)子位置傳感器運(yùn)行實(shí)際上就是要求在不采用機(jī)械傳感器的條件下，利用電機(jī)的電壓和電流信息獲得轉(zhuǎn)子磁極的位置.目前比較成熟的無轉(zhuǎn)子位置傳感器運(yùn)行方式有：1 反電動(dòng)勢(shì)法——包括直接反電動(dòng)勢(shì)法、間接反電動(dòng)勢(shì)法以及派生出來的反電動(dòng)勢(shì)積分法等。2 定子三次諧波檢測(cè)法。3 續(xù)流二極管電流通路檢測(cè)法。但現(xiàn)有方法都存在各自的局限性，仍在不斷完善之中。（1）轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制。存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是無刷直流電動(dòng)機(jī)的固有缺點(diǎn)，特別是隨著轉(zhuǎn)速升高，換相導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)加劇，并使平均轉(zhuǎn)矩顯著下降。減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是提高無刷直流電動(dòng)機(jī)性能的重要方面。（2）智能控制。隨著信息技術(shù)和控制理論的發(fā)展，在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域中，一個(gè)新的發(fā)展方向就是先進(jìn)控制理論，尤其是智能控制理論的應(yīng)用。目前，專家系統(tǒng)、模糊邏輯控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是三個(gè)最主要的理論和方法。其中，模糊控制是把一些具有模糊性的成熟經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則有機(jī)地融入到傳動(dòng)控制策略當(dāng)中，現(xiàn)已成功地應(yīng)用到許多方面。隨著無刷直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，智能控制技術(shù)將受到更廣泛的重視。第2章 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的組成 無刷直流電動(dòng)機(jī)(Brushless DC Motor,簡(jiǎn)稱BLDCM)是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品,它是由電動(dòng)機(jī)本體、位置檢測(cè)器、,控制器對(duì)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行邏輯處理并產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)信號(hào),開關(guān)信號(hào)以一定的順序觸發(fā)逆變器中的功率開關(guān)器件,將電源功率以一定的邏輯關(guān)系分配給電動(dòng)機(jī)定子各相繞組,使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩.現(xiàn)對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)各部分的基本結(jié)構(gòu)說明如下。1．電機(jī)本體無刷直流電動(dòng)機(jī)最初的設(shè)計(jì)思想來自普通的有刷直流電動(dòng)機(jī)，不同的是將直流電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行了互換，其轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生氣隙磁通；定子為電樞，有多相對(duì)稱繞組。原直流電動(dòng)機(jī)的電刷和機(jī)械換向器被逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器所代替。所以無刷直流電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本體實(shí)際上是一種永磁同步電機(jī)。由于無刷直流電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本體為永磁電機(jī)，所以無刷直流電動(dòng)機(jī)也稱為永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)。定子的結(jié)構(gòu)與普通同步電動(dòng)機(jī)或感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相同，鐵心中嵌有多相對(duì)稱繞組。繞組可以接成星形或三角形，并分別與逆變器中的各開關(guān)管相連，三相無刷直流電動(dòng)機(jī)最為常見。2．逆變器 目前，無刷直流電動(dòng)機(jī)的逆變器主開關(guān)一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件，有些主電路已有集成的功率模塊（PIC）和智能功率模塊（IPM），選用這些模塊可以提高系統(tǒng)的可靠性。無刷直流電動(dòng)機(jī)定子繞組的相數(shù)可以有不同的選擇，繞組的連接方式也有星形和角型之分，而逆變器又有半